Mittwoch, 26. Juni 2013

Pflanzen nutzen Mathematik um die Nächte durchzustehen


Gänserauke (Arabidopsis thaliana).
| Copyright: Alberto Salguero Quiles en Getafe, GFDL

Norwich (England) - Um über Nacht nicht zu verhungern, wenden Pflanzen exakte arithmetischen Division an, die es ihnen ermöglicht, ihre Stärke-Reserven konstant so einzuteilen, dass diese genau bis zum Sonnenaufgang reichen. Zu dieser erstaunlichen Erkenntnis kamen britische Wissenschaftler in Experimenten und Untersuchungen, deren Ergebnisse sie aktuell im Fachmagazin "eLife" beschrieben haben.

Wie Martin Howard und Alison Smith vom John Innes Centre berichten, handele es sich um das "erste konkrete Beispiel von derart komplexen arithmetischen Berechnungen in einem grundlegenden biologischen Prozess".


Während Pflanzen sich tagsüber von Energie ernähren, die durch die Photosynthese mittels Sonnenlicht aus der Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker und Stärke gewinnen, sind sie nach Sonnenuntergang auf eigene Reserven angewiesen, um in der Dunkelheit nicht zu verhungern.


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In ihrer Studie (DOI: 10.7554/eLife.00669) gelang es den Forschern nun erstmals aufzuzeigen, dass die Pflanzen (in diesem Fall Gänserauke, Arabidopsis thaliana, s. Abb.) dies durch präzise Regulierung der Rate ihres Stärkeverzehrs erreichen: "Diese Regulierung ermöglicht es der Pflanze, ihre Stärke-Vorräte genau so einzuteilen, dass sie nahezu exakt bis zum nächsten Sonnenaufgang ausreichen und dies selbst dann, wenn die Dunkelheit unerwartet früh hereinbricht oder der Stärke-Vorrat variiert." Eine derartige exakte Regulierung sei nur durch mathematische Berechnung, arithmetischer Division möglich, so die Forscher.

Während der Nacht, so erläutern die Forscher den Vorgang, misst die Pflanze die Größe des Stärke-Vorrats in den Blättern und schätzt die Dauer bis zum Morgengrauen ab. Informationen hierüber beziehen die Pflanzen von einer Art inneren Uhr, wie sie auch von Tieren und Menschen bekannt ist. Der Umfang des Stärkevorrats wird dann durch die Zeitdauer bis zum Sonnenaufgang geteilt, um so den Stärkeverzehr genau anzupassen, sodass bei Sonnenaufgang meist etwa 95 Prozent der Stärke aufgebraucht sind.


"Diese Berechnungen sind so präzise, dass sie die Pflanze davor schützt, nachts zu verhungern und ermöglicht zugleich eine effiziente Nahrungsnutzung", so Smith.


Anhand mathematischer Modelle haben die Forscher auch untersucht, wie eine solche mathematische Division von den Pflanzen durchgeführt werden kann. Als Ergebnis dieser Analysen schlagen sie vor, dass die Informationen über den Umfang des Stärke-Vorrats (S) und die bis zum Sonnenaufgang verbleibende Zeit (T) in Konzentrationen zweier Arten von Molekülen kodiert wird. Wenn dann die S-Moleküle den Verzehr von Stärke anregen, während die T-Moleküle genau dies verhindern, so wird die Rate des Stärke-Konsums durch das Verhältnis zwischen S- und T- Molekülen reguliert: "In anderen Worten S geteilt durch T".


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"Die Fähigkeit arithmetische Berechnungen durchzuführen, ist für die Produktivität und das Wachstum der Pflanze lebenswichtig", erläutert Smith. "Zu verstehen, wie Pflanzen auch in der Dunkelheit ihr Wachstum fortsetzten könnte dabei behilflich sein, das Wachstum von Nahrungsmittelpflanzen zu fördern."


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